التدريب لاختبار FE للهندسة الكهربائية والحاسوب: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و40 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

المقاومات على التوالي والتوازي

مقاومات على التوالي
Req = R1 + R2 + …
مقاومات على التوازي
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
مقاومتان على التوازي
Req = R1R2 / (R1 + R2)
قانون أوم
V = I·R
القدرة
P = V·I = I²R = V²/R

الطريقة

  1. ابدأ من طرف الشبكة الأبعد عن الطرفين.
  2. اجمع المقاومات المتوالية بجمعها، والمقاومات المتوازية بـ 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. أعد رسم الدائرة بعد كل خطوة.
  4. كرّر حتى تبقى مقاومة واحدة بين الطرفين.

تحليل العقد

قانون كيرشوف للتيار
ΣIin = ΣIout
تيار الفرع
I = (Va − Vb)/R
العقدة المرجعية
Vground = 0

الطريقة

  1. اختر عقدة مرجعية (الأرضي) وسمِّ جهود العقد الأخرى.
  2. اكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة: التيارات الخارجة عبر الفروع تساوي التيارات الداخلة.
  3. عبّر عن كل تيار فرع بالصيغة (Va − Vb)/R.
  4. حلّ نظام المعادلات، ثم أوجد أي تيار تحتاجه.

تحليل الحلقات

قانون كيرشوف للجهد
ΣV = 0 حول كل حلقة
مقاومة مشتركة
التيار = I1 − I2
مصدر تيار في حلقة
يحدّد تيار تلك الحلقة

الطريقة

  1. ارسم تيارًا باتجاه عقارب الساعة في كل حلقة (نافذة) من الدائرة.
  2. طبّق قانون كيرشوف للجهد حول كل حلقة: مجموع هبوطات الجهد يساوي صفرًا.
  3. في المقاومة المشتركة بين حلقتين يكون التيار هو الفرق بين تياري الحلقتين.
  4. حلّ المعادلات؛ النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري في الاتجاه المعاكس.

التراكب

التراكب
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
مصدر جهد مُطفأ
قصر (0 V)
مصدر تيار مُطفأ
دائرة مفتوحة (0 A)
مقسّم الجهد
V2 = V·R2/(R1 + R2)
مقسّم التيار
I1 = I·R2/(R1 + R2)

الطريقة

  1. عُدّ المصادر المستقلة. ستحلّ دائرة أبسط واحدة لكل مصدر.
  2. أبقِ مصدرًا واحدًا وأطفئ الباقي: يصبح مصدر الجهد قصرًا (سلكًا)، ويصبح مصدر التيار دائرة مفتوحة (فجوة).
  3. حلّ الدائرة الأبسط لإيجاد الجهد أو التيار المطلوب، مع متابعة اتجاهه.
  4. كرّر ذلك لكل مصدر، ثم اجمع المساهمات بإشاراتها.

ثيفنن ونورتن

جهد ثيفنن
Vth = Vopen circuit
مقاومة ثيفنن
Rth: كل المصادر مُطفأة، منظورًا إليها من a–b
تيار نورتن
IN = Vth/Rth
تيار الحِمل
IL = Vth/(Rth + RL)
أقصى نقل للقدرة
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

الطريقة

  1. أزل الحِمل وعلّم الطرفين a و b.
  2. أوجد جهد الدائرة المفتوحة بين a و b: هذا هو Vth.
  3. أطفئ كل المصادر المستقلة وأوجد المقاومة المرئية من a–b: هذه هي Rth.
  4. أعد الحِمل إلى الدائرة المكافئة: Vth على التوالي مع Rth.
  5. لمكافئ نورتن، حوّل: IN = Vth/Rth، مع RN = Rth على التوازي.

الحالات العابرة RC و RL

الثابت الزمني
τ = RC | τ = L/R
الاستجابة
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
المكثّف في التيار المستمر
دائرة مفتوحة؛ لا يمكن أن يقفز vC
الملف في التيار المستمر
قصر؛ لا يمكن أن يقفز iL
الحالة المستقرة
t ≈ 5τ

الطريقة

  1. أوجد القيمة الابتدائية مباشرة بعد التبديل: جهد المكثّف وتيار الملف لا يقفزان.
  2. أوجد القيمة النهائية بعد التبديل بزمن طويل: يتصرّف المكثّف كدائرة مفتوحة، والملف كقصر.
  3. أوجد الثابت الزمني: τ = RC أو τ = L/R، باستخدام المقاومة التي يراها المكثّف أو الملف.
  4. استخدم x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

معاوقة التيار المتردد والطوريات

المعاوقات
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
التردد الزاوي
ω = 2πf
المقدار والزاوية
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
قانون أوم بالطوريات
V = I·Z

الطريقة

  1. حوّل التردد: ω = 2πf.
  2. أوجد كل ممانعة مفاعلة: XL = ωL و XC = 1/(ωC).
  3. اجمع الممانعات كما تجمع المقاومات، مع Z = R + jX.
  4. أوجد المقدار |Z| = √(R² + X²) والزاوية φ = atan(X/R)، ثم استخدم قانون أوم بالطوريات.

قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

القدرة الفعلية
P = V·I·cos φ
القدرة غير الفعّالة
Q = V·I·sin φ
القدرة الظاهرية
S = V·I = √(P² + Q²)
معامل القدرة
pf = cos φ = P/S
مكثّف التصحيح
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

القدرة ثلاثية الطور

توصيل نجمة (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
توصيل دلتا (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
القدرة الفعّالة الكلية
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
القدرة الظاهرية والقدرة غير الفعّالة
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
مكثّفات التصحيح
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
الجهد على كل مكثّف
Δ: VL Y: VL/√3
قدرة دخل المحرّك
Pin = Pout/η

المحوّلات

نسبة اللفّات
a = N1/N2 = V1/V2
نسبة التيارات
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
التيار المقنَّن
I = S/V
الممانعة المحوَّلة
Z1′ = a²·ZL
مفقودات النحاس عند حمل جزئي
Pcu = x²·Pcu,fl
الكفاءة
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
أقصى كفاءة
x = √(Pcore/Pcu,fl)

دوائر مكبّرات العمليات

المكبّر العاكس
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
المكبّر غير العاكس
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
المكبّر الجامع
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
مكبّر العمليات المثالي
V+ = V−, Iin = 0

الثنائيات والترانزستورات

الثنائي (هبوط ثابت)
VD = 0,7 V when conducting
المنطقة الفعّالة
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
الانحياز الثابت
IB = (VCC − 0,7)/RB
انحياز مقسّم الجهد
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
مكافئ ثيفنن لمقسّم الجهد
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
حلقة المجمِّع
VCE = VCC − ICRC − IERE
التشبّع
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

أنظمة العد

القيم الموضعية
الثنائي 2k، الثماني 8k، الست عشري 16k
إلى العشري
Σ dk·bk
من العشري
اقسم على الأساس، واقرأ البواقي من الأسفل إلى الأعلى
الست عشري ↔ الثنائي
رقم ست عشري واحد = 4 بتات
المتمم الثنائي
اعكس البتات وأضف 1

المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

البوابات الأساسية
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
القواعد البولية
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
دي مورغان
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
ترتيب خريطة كارنو
00, 01, 11, 10 (Gray code)
مجموعة من 2ᵏ خلية
تفقد k متغيرًا
مضاعِف 4-إلى-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
القلّابات
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
العدّادات
n بتّات: 2ⁿ حالة؛ mod-N: أصغر n يحقق 2ⁿ ≥ N؛ fout = fclk/N
العدّاد المتموّج
fmax = 1/(n·tpd)
العدّادان الحلقي وجونسون
n و 2n حالة

الطريقة

  1. لدارة ما، اعمل من المداخل إلى المخرج بوابةً بوابةً واكتب القيمة على كل سلك، أو اكتب تعبيرها واملأ جدول الصدق.
  2. للتبسيط ضع الآحاد (وحالات عدم الاكتراث على شكل X) في خريطة كارنو بصفوف وأعمدة بشيفرة غراي: 00, 01, 11, 10.
  3. غطِّ الآحاد بأقل عدد ممكن وأكبر حجم ممكن من المجموعات ذات 1 أو 2 أو 4 أو 8 أو 16 خلية، مع الالتفاف حول الحواف؛ كل مجموعة حد جداء واحد من المتغيرات التي تبقى ثابتة. جمّع الأصفار للصيغة POS.
  4. للقلّابات والعدّادات اقرأ المداخل عند كل حافة ساعة فعالة، واكتب الحالة بعد كل حافة، وتذكّر أن عدّادًا ذا n بتّات يلتف بعد 2ⁿ حالة.

الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الاستقرار
جميع جذور كثير الحدود المميِّز في النصف الأيسر من المستوى
جدول راوث، عنصر الصف s¹ في كثير حدود تكعيبي
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
جذور النصف الأيمن من المستوى
عدد تغيّرات الإشارة في العمود الأول
كثير الحدود التكعيبي s³ + a₂s² + a₁s + a₀
مستقر حين a > 0 لجميع المعاملات وa₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
المعادلة المميزة
1 + K·G(s) = 0
الخطوط المقاربة
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
نقطتا الانفصال والالتقاء
dK/ds = 0
شرط المقدار
K = 1/|G(s)|
زاوية المغادرة
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

الطريقة

  1. اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة: مقام 1 + K·G(s) = 0، بعد فكّه.
  2. ضع المعاملات بالتناوب في الصفين الأولين من جدول راوث وابنِ بقية الصفوف.
  3. عُدّ تغيّرات الإشارة في العمود الأول: كل تغيّر قطب في النصف الأيمن من المستوى. ومع وجود K في الجدول اشترط أن يبقى كل عنصر في العمود الأول موجبًا.
  4. للمحل الهندسي للجذور عيّن الأقطاب والأصفار وقطع المحور الحقيقي والخطوط المقاربة من المركز ونقاط الانفصال حيث dK/ds = 0. واستخدم K = 1/|G(s)| لإيجاد الكسب عند نقطة.

خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

نوع النظام
عدد أقطاب G(s) عند s = 0
ثوابت الخطأ
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
الخطوة A
ess = A/(1 + Kp)
المنحدر A·t
ess = A/Kv
القطع المكافئ A·t²/2
ess = A/Ka
المتحكم PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
الهدف من الرتبة الثانية
s² + 2ζωns + ωn²
التجاوز والتوقيت
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

الطريقة

  1. عُدّ أقطاب الحلقة المفتوحة C(s)·G(s) عند s = 0: فذلك هو نوع النظام.
  2. احسب ثابت الخطأ المناسب للدخل: Kp للخطوة، وKv للمنحدر، وKa للقطع المكافئ.
  3. طبّق ess = A/(1 + Kp) أو A/Kv أو A/Ka، أو حُلّها لإيجاد الكسب المطلوب.
  4. لمواصفة التخميد أو السرعة اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة وطابقه مع s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2مسائل تدريبية

1.المقاومات على التوالي والتوازيمتوسطة
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​12 ΩB

أوجد التيار IR1 الذي يورّده المصدر، والذي يمرّ عبر R1.

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 15 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩAR4​15 ΩBR6​2 Ω

أوجد التيار IR1 الذي يورّده المصدر، والذي يمرّ عبر R1.

V1 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 ΩR5 = 10 ΩR6 = 2 Ω
IR1 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBIs​1 A

استخدم تحليل العقد لإيجاد جهد العقدة VB (مقيسًا بالنسبة إلى الأرضي).

V1 = 30 VIs = 1 AR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 Ω
VB = V
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 12 Ω−+Vs​ = 15 V+−V1​10 VR2​8 ΩAR3​5 ΩBIs​2 A

مصدر الجهد Vₛ بين A و B طرفه + عند B، لذا يجعل VB − VA = Vₛ. استخدم تحليل العقد مع عقدة فائقة لإيجاد جهد العقدة VA (مقيسًا بالنسبة إلى الأرضي).

V1 = 10 VIs = 2 AVs = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 Ω
VA = V
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 15 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​15 VR3​12 ΩIR3​A+−V2​18 VI1​I2​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد التيار IR3 المارّ في R3 باتجاه السهم.

V1 = 15 VV2 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 Ω
IR3 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR4​4 ΩAR5​12 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد تيار الحلقة I2 (باتجاه عقارب الساعة).

V1 = 15 VV2 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 ΩR5 = 12 Ω
I2 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​10 ΩIR4​BIs​2,5 A

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد القدرة PR4 التي يمتصها R4.

V1 = 9 VIs = 2,5 AR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 10 Ω
PR4 = W
8.التراكبصعبة
R1​ = 8 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​10 VR3​10 ΩIR3​AIs​4 AB+−V2​?

أوجد قيمة مصدر الجهد V2 (بالقطبية الموضّحة) التي تجعل التيار IR3 في R3 مساويًا للصفر.

V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩR4 = 20 Ω
V2 = V
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAab

أوجد مقاومة ثيفنن Rth المرئية من الطرفين a–b.

V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAIs​1,5 ABRL​8 ΩIL​

وُصل حِمل RL = 8 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.

V1 = 18 VIs = 1,5 AR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩRL = 8 Ω
IL = A
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​24 Vt = 0R = 100 ΩL150 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد الجهد vL على الملف عند t = 2 ms.

Vs = 24 VR = 100 ΩL = 150 mHt = 2 ms
vL = V
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​20 Vt = 0R = 6,8 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 8 V بالقطبية الموضّحة. كم يستغرق vC ليبلغ 15,2 V؟ أوجد t.

Vs = 20 VR = 6,8 kΩC = 100 µFvC(0) = 8 V
t = ms
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
10 V50 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 22 µF

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 10 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد زاوية الطور φ للمعاوقة بالدرجات (موجبة عندما يتأخّر التيار عن الجهد).

V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 22 µF
φ = °
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
VfR = 1 ΩL = 20 mHC = 10 µF

دائرة RLC على التوالي لها R = 1 Ω و L = 20 mH و C = 10 µF. أوجد معامل الجودة Q لها عند الرنين.

R = 1 ΩL = 20 mHC = 10 µF
Q =
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
P = 19 kWQSφ

يستهلك محرّك أحادي الطور 19 kW بمعامل قدرة 0,9 متأخّر من مصدر 400 V. أوجد تيار الخط I.

P = 19 kWpf = 0,9V = 400 V
I = A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P1​ = 101 kWQ1​S1​φ

محوّل أحادي الطور قدرته 150 kVA يغذّي حِملًا 101 kW بمعامل قدرة 0,85 متأخّر. ما مقدار القدرة الفعلية الإضافية ΔP التي يمكن إضافتها كحِمل مقاومي (معامل قدرة واحد) قبل أن يبلغ المحوّل قدرته الاسمية بوحدة kVA؟

Smax = 150 kVAP1 = 101 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M15 kW, η = 88%cos φ = 0,86

محرّك حثّي ثلاثي الطور يعطي قدرة خرج ميكانيكية مقدارها 15 kW عند الحمل الكامل. عند هذا الحمل تكون كفاءته 88% ومعامل قدرته 0,86 متأخرًا. جهد خط المصدر 690 V. أوجد تيار الخط IL.

Pout = 15 kWη = 88%cos φ = 0,86VL = 690 V
IL = A
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 80 kW عند معامل قدرة 0,72 متأخر من مصدر 480 V (جهد خط) و 50 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,92 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. أوجد القدرة غير الفعّالة الكلية QC التي يجب أن تقدّمها مجموعة المكثّفات، بالـ kvar.

P = 80 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.المحوّلاتمتوسطة
50 Ω51

وُصلت مقاومة 50 Ω على طرفي الملف الثانوي لمحوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 5:1. أوجد المقاومة R1′ المرئية عند النظر إلى الملف الابتدائي.

N1:N2 = 5:1RL = 50 Ω
R1′ = Ω
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,9150 kVA, 25% الحمل

محوّل أحادي الطور 150 kVA مفقودات قلبه 750 W ومفقودات نحاسه 1125 W عند الحمل المقنَّن. يغذّي 25% من قدرته المقنَّنة بالـ kVA عند معامل قدرة 0,9 متأخر. أوجد المفقودات الكلية Ploss بالواط عند هذا الحمل.

S = 150 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 1125 Wx = 0,25pf = 0,9
Ploss = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 2 kΩVin​ = 2 VRa​ = 4,7 kΩRb​ = 4,7 kΩ

مكبّر العمليات مثالي ويعمل بمصدرين ±15 V. أوجد جهد الخرج Vout.

Vin = 2 VRa = 4,7 kΩRb = 4,7 kΩR1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
Vin​V1​Vout​المرحلة 1: عاكسR1​ = 47 kΩRf1​ = 100 kΩالمرحلة 2: غير عاكسR2​ = 10 kΩRf2​ = 47 kΩ

مرحلتا مكبّر عمليات مثاليتان موصولتان على التتالي: مكبّر عاكس (R1، Rf1) يليه مكبّر غير عاكس (R2 إلى الأرضي، Rf2 في التغذية الراجعة). كلتاهما تعملان من مصدرَي تغذية ±15 V. الدخل Vin = 0,35 V. أوجد جهد الخرج Vout.

R1 = 47 kΩRf1 = 100 kΩR2 = 10 kΩRf2 = 47 kΩVin = 0,35 V
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 1,2 kΩβ = 75VCC​ = 12 VRB​ = 100 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 75 منحاز بمقاومة قاعدة RB = 100 kΩ من المصدر VCC = 12 V. مقاومة المجمِّع RC = 1,2 kΩ والباعث موصول بالأرضي. خذ VBE = 0,7 V وافترض أن الترانزستور في المنطقة الفعّالة. أوجد جهد المجمِّع–الباعث VCE.

VCC = 12 VRB = 100 kΩRC = 1,2 kΩβ = 75VBE = 0,7 V
VCE = V
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 100 Ωβ = 200VCC​ = 9 V3,3 VRB​ = ?

ترانزستور NPN بـ β = 200 يتحكّم بمقاومة حمل 100 Ω موصولة بين VCC = 9 V ومجمِّعه. الباعث موصول بالأرضي. تُغذّى القاعدة من خرج منطقي 3,3 V عبر مقاومة قاعدة RB. خذ VBE = 0,7 V و VCE(sat) = 0,2 V. أوجد أكبر مقاومة قاعدة RB، بالـ kΩ، التي ما زالت تدفع الترانزستور إلى بداية التشبّع.

VCC = 9 VRC = 100 Ωβ = 200Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 V
RB = kΩ
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات?−128?64?32?16?8?4?2?1

اكتب −50 كنمط متمم ثنائي ذي 8 بتات. اقرأ النمط كعدد ثنائي بلا إشارة: ما قيمته U في النظام العشري؟

N = −508 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
4229 رموز، b = ؟ بت?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

يجب أن يعطي نظام كل واحد من 4229 عنصرًا رمزًا ثنائيًا خاصًا به بالطول نفسه. ما أقل عدد من البتات b يلزم؟

4229
b = bit
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD00011110000111101111111

في خريطة كارنو هذه يوجد 1 واحد بالضبط لا جار 1 له، فيبقى مجموعة من خلية واحدة (حد أصغري كامل من أربعة حروف) في الصيغة الدنيا SOP. الجيران عبر حواف الخريطة تُحسب. انقر على تلك الخلية.

F = Σm(0, 3, 4, 5, 6, 8, 9)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
ABCD000111100001111010X1031214050716112113015X14X819011X10

جد الصيغة الدنيا SOP للدالة F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 4, 6, 9, 12, 13) + d(1, 8, 10, 14)، حيث تشير d إلى حالات عدم الاكتراث. كم حد جداء N فيها؟

F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 4, 6, 9, 12, 13) + d(1, 8, 10, 14)
N =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−2−4−6−8−1024

أوجد f(t) للدالة F(s) = (4s + 35)/(s² + 4s + 20) بإكمال المربّع، واحسب f(0,2).

F(s) = (4s + 35)/(s² + 4s + 20)t = 0,2 s
f(0.2) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

حلّ y″ + 6y′ + 5y = 0 مع y(0) = 6 و y′(0) = −11 باستخدام تحويل لابلاس، وأوجد y(0,3).

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 6y′(0) = −11t = 0,3 s
y(0.3) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+25s + 1G(s)C(s)0,5H−

يُتحكَّم في نظام G(s) = 25/(s + 1) في حلقة تغذية راجعة سالبة كسب مستشعرها H = 0,5. أوجد الثابت الزمني τ للحلقة المغلقة.

G(s) = 25/(s + 1)H = 0,5
τ = s
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+2المتحكّم+D(s)+6s + 3النظام المُتحكَّم فيهC(s)−

متحكّم تناسبي K = 2 يقود النظام G(s) = 6/(s + 3) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. يدخل اضطراب D عند دخل النظام (يُضاف إلى خرج المتحكّم). تُطبَّق خطوة مرجع مقدارها 1 وخطوة اضطراب مقدارها 0,5 معًا. أوجد خرج الحالة المستقرة css.

K = 2G(s) = 6/(s + 3)D = 0,5R = 1
css =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)1tp​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 80/(s² + 6s + 80) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.

G(s) = 80/(s² + 6s + 80)
tp = s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
t (s)y(t)1tp​ = 0,8 s20 %

تُظهر الاستجابة الخطوية لنظام من الرتبة الثانية بلا أصفار تجاوزًا قدره 20 %، وتقع الذروة الأولى عند t = 0,8 s. أوجد التردد الطبيعي ωn.

%OS = 20 %tp = 0,8 s
ωn = rad/s
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​C = 1 nFR = 4,7 kΩvout​

لـ مرشح RC لتمرير الترددات العالية الموضح R = 4,7 kΩ, C = 1 nF. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 170 kHz. أوجد إزاحة الطور φ للجهد vout بالنسبة إلى vin، بالدرجات.

R = 4,7 kΩC = 1 nFf = 170 kHz
φ = °
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 80/(s(s + 20)). أوجد تردد تقاطع الكسب ωc، حيث |L(jω)| = 1.

L(s) = 80/(s(s + 20))
ωc = rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+K1s(s + 2)(s + 5)C(s)−

لحلقة المخطط دالة نقل الحلقة المفتوحة L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5)). يُرفع الكسب حتى تصبح الحلقة المغلقة على حافة الاستقرار. أوجد تردد ω التذبذب المستمر.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))
ω = rad/s
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−40,5j0,5j1

يغادر المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3)) المحور الحقيقي بين s = 0 وs = −2. أوجد نقطة الانفصال sb.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))
sb =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
R(s)+K = 520,5s + 1C(s)−

تُضبط عملية G(s) = 2/(0,5s + 1) بواسطة كسب تناسبي K = 5 ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد خطأ الحالة المستقرة ess لخطوة، كنسبة مئوية من حجم الخطوة.

G(s) = 2/(0,5s + 1)K = 5
ess = %
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K = 85s(s + 4)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K = 8 في المحطة G(s) = 5/(s(s + 4)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.

G(s) = 5/(s(s + 4))K = 8
tp = s

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 0,7021 A

المقاومات على التوالي والتوازي: على التوالي يمرّ التيار نفسه في كل مقاومة و R = R₁ + R₂ + …. وعلى التوازي يكون الجهد نفسه على كل مقاومة و 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. تُبسَّط شبكة السلّم زوجًا بعد زوج حتى تبقى مقاومة مكافئة واحدة.

R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​12 ΩB

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

ابدأ من الطرف الأبعد عن المصدر وتقدّم نحوه. المقاومات التي يمرّ بها التيار نفسه على التوالي؛ والمقاومات بين العقدتين نفسيهما على التوازي.

R3 + R4 = 2 + 12 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 8·14/(8+14) = 5,091 Ω
Req = R1 + 5,091 = 12 + 5,091 = 17,09 Ω

التيار من المصدر

لا يرى المصدر إلا Req، فيعطي قانون أوم التيار الذي يورّده. وهذا التيار يمرّ عبر R₁.

IR1 = V1/Req = 12/17,09 = 0,7021 A

الإجابة

IR1 = 0,7021 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 1,749 A

المقاومات على التوالي والتوازي: على التوالي يمرّ التيار نفسه في كل مقاومة و R = R₁ + R₂ + …. وعلى التوازي يكون الجهد نفسه على كل مقاومة و 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. تُبسَّط شبكة السلّم زوجًا بعد زوج حتى تبقى مقاومة مكافئة واحدة.

R1​ = 8 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩAR4​15 ΩBR6​2 Ω

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

ابدأ من الطرف الأبعد عن المصدر وتقدّم نحوه. المقاومات التي يمرّ بها التيار نفسه على التوالي؛ والمقاومات بين العقدتين نفسيهما على التوازي.

R5 + R6 = 10 + 2 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 6,667 Ω
R3 + 6,667 = 21,67 Ω
R2 ∥ 21,67 = 12,58 Ω
Req = R1 + 12,58 = 8 + 12,58 = 20,58 Ω

التيار من المصدر

لا يرى المصدر إلا Req، فيعطي قانون أوم التيار الذي يورّده. وهذا التيار يمرّ عبر R₁.

IR1 = V1/Req = 36/20,58 = 1,749 A

الإجابة

IR1 = 1,749 A
3.تحليل العقد

الإجابة: VB = 15,65 V

تحليل العقد: اختر عقدة مرجعية، وسمِّ جهود العقد المجهولة، واكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة باستخدام قانون أوم (I = ΔV/R)، ثم حلّ المعادلات الناتجة.

R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBIs​1 A

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 30 V). المجاهيل: VA, VB.

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

التيارات الخارجة من A عبر المقاومات تساوي التيار الذي تدفعه المصادر إلى A.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/12 + (VA − 30)/15 + (VA − VB)/4 = 0
0,4·VA − 0,25·VB = 2

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

التيارات الخارجة من B عبر المقاومات تساوي التيار الذي تدفعه المصادر إلى B.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/4 = 1
−0,25·VA + 0,3·VB = 1

الحل

Δ = (0,4)(0,3) − (−0,25)(−0,25) = 0,0575
VA = Δ1/Δ = 0,85/0,0575 = 14,78 V
VB = Δ2/Δ = 0,9/0,0575 = 15,65 V

الإجابة

VB = 15,65 V
4.تحليل العقد

الإجابة: VA = −0,4082 V

تحليل العقد: اختر عقدة مرجعية، وسمِّ جهود العقد المجهولة، واكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة باستخدام قانون أوم (I = ΔV/R)، ثم حلّ المعادلات الناتجة.

كوّن عقدة فائقة

مصدر الجهد بين A و B يحمل تيارًا مجهولًا، لذا لا يمكن كتابة قانون كيرشوف للتيار عند A أو B منفصلتين. احصر A و B والمصدر في عقدة فائقة واحدة: التيار الداخل إليها يساوي التيار الخارج منها.

VB = VA + 15
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

الحل

(VA − 10)/12 + VA/8 + (VA + 15)/5 = 2
VA·(1/12 + 1/8 + 1/5) = 2 + 10/12 − 15/5 = −0,1667
VA = −0,1667/0,4083 = −0,4082 V
VB = 14,59 V

الإجابة

VA = −0,4082 V
5.تحليل الحلقات

الإجابة: IR3 = 1,282 A

تحليل الحلقات: أعطِ كل نافذة في دائرة مستوية تيار حلقة خاصًا بها، واكتب قانون كيرشوف للجهد حول كل حلقة (مجموع الهبوطات = مجموع الارتفاعات)، ثم حلّ. تيارات الفروع هي تيار الحلقة، أو الفرق بين تياري حلقتين في فرع مشترك.

R1​ = 15 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​15 VR3​12 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

عيّن تيارات الحلقات

ارسم في كل نافذة تيارًا باتجاه عقارب الساعة: I1, I2. المقاومة المشتركة بين حلقتين تحمل الفرق بين تياريهما.

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 1

عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
15·I1 + 12(I1 − I2) = 15
27·I1 − 12·I2 = 15

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
2·I2 + 12(I2 − I1) = (−18)
−12·I1 + 14·I2 = −18

الحل

Δ = (27)(14) − (−12)(−12) = 234
I1 = Δ1/Δ = −6/234 = −0,02564 A
I2 = Δ2/Δ = −306/234 = −1,308 A

الإجابة

IR3 = I1 − I2 = 1,282 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: I2 = −0,949 A

تحليل الحلقات: أعطِ كل نافذة في دائرة مستوية تيار حلقة خاصًا بها، واكتب قانون كيرشوف للجهد حول كل حلقة (مجموع الهبوطات = مجموع الارتفاعات)، ثم حلّ. تيارات الفروع هي تيار الحلقة، أو الفرق بين تياري حلقتين في فرع مشترك.

R1​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR4​4 ΩAR5​12 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

عيّن تيارات الحلقات

ارسم في كل نافذة تيارًا باتجاه عقارب الساعة: I1, I2, I3. المقاومة المشتركة بين حلقتين تحمل الفرق بين تياريهما.

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 1

عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
20·I1 + 4(I1 − I2) = 15
24·I1 − 4·I2 = 15

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
10·I2 + 4(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 26·I2 − 12·I3 = 0

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 3

عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
4·I3 + 12(I3 − I2) = (−24)
−12·I2 + 16·I3 = −24

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 6272
I1 = Δ1/Δ = 2928/6272 = 0,4668 A
I2 = Δ2/Δ = −5952/6272 = −0,949 A
I3 = Δ3/Δ = −13872/6272 = −2,212 A

الإجابة

I2 = −0,949 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: PR4 = 7,378 W

التراكب: في الدائرة الخطية، أي جهد أو تيار هو مجموع الاستجابات لكل مصدر مستقل يعمل وحده. لإطفاء مصدر، استبدل مصدر الجهد المثالي بـقصر ومصدر التيار المثالي بـدائرة مفتوحة. تبقى المقاومات في مكانها.

R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBمفتوح

الحالة 1 · V1 يعمل وحده

يصبح Iₛ دائرة مفتوحة، فيشكّل R₃ و R₄ فرعًا واحدًا على التوالي من A إلى الأرضي، على التوازي مع R₂.

R3+R4 = 5+10 = 15 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·15/(5+15) = 3,75 Ω
VA = 9·3,75/(6+3,75) = 3,462 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,462·10/15 = 2,308 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (2,308 − 0)/10 = 0,2308 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 ΩقصرR2​5 ΩAR4​10 ΩBIs​2,5 A

الحالة 2 · Is يعمل وحده

يصبح V₁ قصرًا، فيكون R₁ على التوازي مع R₂. ينقسم Iₛ عند B بين R₄ والمسار عبر R₃. سهم Iₛ يشير إلى الأسفل، بعيدًا عن عقدته، لذا يسحب Iₛ تيارًا من تلك العقدة: يدخل حدّه بإشارة سالبة.

R1 ∥ R2 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 7,727 = 4,359 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·4,359 = −10,9 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −10,9·2,727/7,727 = −3,846 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (−10,9 − 0)/10 = −1,09 A

اجمع إسهامات التيار

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,2308 + (−1,09) = −0,859 A

القدرة في المقاومة

تعتمد القدرة على مربّع التيار، لذا لا تخضع لمبدأ التراكب: اجمع التيارات أولًا، ثم ربّع.

PR4 = IR4²·R4 = (−0,859)²·10 = 7,378 W

الإجابة

PR4 = 7,378 W

جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 12,41 W، وهذا خطأ.

8.التراكب

الإجابة: V2 = 45 V

التراكب: في الدائرة الخطية، أي جهد أو تيار هو مجموع الاستجابات لكل مصدر مستقل يعمل وحده. لإطفاء مصدر، استبدل مصدر الجهد المثالي بـقصر ومصدر التيار المثالي بـدائرة مفتوحة. تبقى المقاومات في مكانها.

R1​ = 8 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​10 VR3​10 ΩAمفتوحBقصر

الحالة 1 · V1 يعمل وحده

يصبح V₂ قصرًا و Iₛ دائرة مفتوحة. من جهة A يكون R₃ على التوازي مع الزوج المتوالي R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 10 ∥ 28 = 7,368 Ω
VA = 10·7,368/(8+7,368) = 4,795 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,795·20/28 = 3,425 V
R1​ = 8 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 20 ΩقصرR3​10 ΩAIs​4 ABقصر

الحالة 2 · Is يعمل وحده

يصبح مصدرا الجهد كلاهما قصرًا. ينقسم Iₛ عند B بين R₄ (الآن إلى الأرضي) و R₂ على التوالي مع R₁ ∥ R₃. سهم Iₛ يشير إلى الأسفل، بعيدًا عن عقدته، لذا يسحب Iₛ تيارًا من تلك العقدة: يدخل حدّه بإشارة سالبة.

R1 ∥ R3 = 4,444 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+4,444 = 12,44 Ω
Req = R4 ∥ 12,44 = 7,671 Ω
VB = −Is·Req = −4·7,671 = −30,68 V
VA = VB·4,444/12,44 = −10,96 V

الحالة 3 · V2 يعمل وحده، لكل فولت

يصبح V₁ قصرًا و Iₛ دائرة مفتوحة. يتدلّى R₁ ∥ R₃ من A، على التوالي مع R₂ عودةً إلى B.

R1 ∥ R3 = 4,444 Ω
VA‴ = V2·4,444/(20 + 8 + 4,444) = 0,137·V2

اجعل VA صفرًا

عندما VA = 0 لا يوجد جهد على R₃، لذا تياره صفر.

VA′ + VA″ + VA‴ = 4,795 + (−10,96) + 0,137·V2 = 0
V2 = 6,164/0,137 = 45 V

الإجابة

V2 = 45 V
9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Rth = 7 Ω

نظرية ثيفنن: أي شبكة خطية ذات طرفين تتصرّف كمصدر جهد واحد Vth على التوالي مع مقاومة Rth. ونظرية نورتن تعطي الشبكة نفسها كمصدر تيار IN = Vth/Rth على التوازي مع Rth.

R1​ = 6 ΩR3​ = 4 ΩقصرR2​6 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

استبدل مصادر الجهد بقصر ومصادر التيار بدوائر مفتوحة، ثم انظر إلى الدائرة من a–b.

R1 ∥ R2 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 4 = 7 Ω
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = −0,3 A

نظرية ثيفنن: أي شبكة خطية ذات طرفين تتصرّف كمصدر جهد واحد Vth على التوالي مع مقاومة Rth. ونظرية نورتن تعطي الشبكة نفسها كمصدر تيار IN = Vth/Rth على التوازي مع Rth.

R1​ = 15 ΩR3​ = 2 ΩقصرR2​6 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

استبدل مصادر الجهد بقصر ومصادر التيار بدوائر مفتوحة، ثم انظر إلى الدائرة من a–b.

R1 ∥ R2 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 2 = 6,286 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAIs​1,5 ABab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

عندما يكون a–b مفتوحًا، المسار الوحيد لـ Iₛ هو عبر R₃ إلى العقدة A. أوجد V_A بتراكب V₁ و Iₛ، ثم أضف الهبوط على R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5,143 + (−1,5)·4,286 = −1,286 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −1,286 + (−1,5)·2 = −4,286 V
Rth​ = 6,286 Ω−+Vth​4,286 VRL​8 ΩIL​

صِل الحِمل بمكافئ ثيفنن

يتصرّف مصدر ثيفنن و R_th على التوالي عند a–b تمامًا كالدائرة الأصلية، فيرى الحِمل حلقة توالٍ بسيطة.

IL = Vth/(Rth + RL) = −4,286/(6,286 + 8) = −0,3 A
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vL = 6,326 V

الحالات العابرة من الرتبة الأولى: في دائرة فيها مكثّف واحد أو ملف واحد، يتغيّر كل جهد وتيار أُسّيًا من قيمته الابتدائية إلى قيمته النهائية: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ، حيث τ = RC أو τ = L/R. بعد نحو 5τ تستقر الدائرة.

الثابت الزمني والتيار النهائي

بعد إغلاق المفتاح بوقت طويل يتصرّف الملف كقصر، لذا يحدّد R وحده التيار النهائي.

τ = L/R = 150 mH / 100 Ω = 1,5 ms
i(∞) = Vs/R = 24/100 = 0,24 A

جهد الملف

عند t = 0 يظهر كامل جهد المصدر على الملف؛ ثم يضمحل إلى الصفر.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 24·e−2/1,5 = 6,326 V

الإجابة

vL = 6,326 V
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 623,1 ms

الحالات العابرة من الرتبة الأولى: في دائرة فيها مكثّف واحد أو ملف واحد، يتغيّر كل جهد وتيار أُسّيًا من قيمته الابتدائية إلى قيمته النهائية: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ، حيث τ = RC أو τ = L/R. بعد نحو 5τ تستقر الدائرة.

القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني

لا يمكن لجهد المكثّف أن يقفز، لذا يبدأ من قيمته المخزّنة ويتّجه نحو جهد المصدر.

vC(0) = 8 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 100 µF = 680 ms
vC(t) = 20 + (8 − 20)·e−t/τ

حلّ لإيجاد الزمن

15,2 = 20 + (−12)·e−t/τ → e−t/τ = (15,2 − 20)/(8 − 20) = 0,4
t = τ·ln((8 − 20)/(15,2 − 20)) = 680·ln(2,5) = 623,1 ms

الإجابة

t = 623,1 ms
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: φ = −85,57 °

دوائر التيار المتردد بالطوريات: للمقاومات والملفات والمكثّفات معاوقات R و jωL و 1/(jωC)، مع ω = 2πf. على التوالي تُجمع المعاوقات كالمقاومات، لكن كأعداد مركّبة. ويتبع التيار والجهد الفعّالان قانون أوم مع |Z|.

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,05 = 15,71 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·22·10⁻⁶) = 144,7 Ω

المعاوقة

على التوالي تُجمع المعاوقات كأعداد مركّبة: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (−129)²) = 129,4 Ω

زاوية الطور

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−129/10) = −85,57°

الإجابة

φ = −85,57°
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: Q = 44,72

دوائر التيار المتردد بالطوريات: للمقاومات والملفات والمكثّفات معاوقات R و jωL و 1/(jωC)، مع ω = 2πf. على التوالي تُجمع المعاوقات كالمقاومات، لكن كأعداد مركّبة. ويتبع التيار والجهد الفعّالان قانون أوم مع |Z|.

تردد الرنين

f0 = 1/(2π·√(0,02·10·10⁻⁶)) = 355,9 Hz

معامل الجودة

Q يقارن المفاعلة عند الرنين بالمقاومة: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/1)·√(0,02/(10·10⁻⁶)) = 44,72

الإجابة

Q = 44,72
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 52,78 A

قدرة التيار المتردد: القدرة الظاهرية S = V·I (VA) تنقسم إلى قدرة فعلية P = S·cos φ (W) تؤدّي شغلًا مفيدًا، وقدرة غير فعّالة Q = S·sin φ (var) تتردّد بين المصدر والحِمل. معامل القدرة هو cos φ. المكثّف الموصول على التوازي يزوّد القدرة غير الفعّالة محليًا، فينخفض تيار الخط للقدرة الفعلية نفسها.

تيار الخط

الجزء الفعلي من القدرة فقط يؤدّي الشغل، لذا اقسم على معامل القدرة.

I = P/(V·cos φ) = 19000/(400·0,9) = 52,78 A

الإجابة

I = 52,78 A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: ΔP = 35,32 kW

قدرة التيار المتردد: القدرة الظاهرية S = V·I (VA) تنقسم إلى قدرة فعلية P = S·cos φ (W) تؤدّي شغلًا مفيدًا، وقدرة غير فعّالة Q = S·sin φ (var) تتردّد بين المصدر والحِمل. معامل القدرة هو cos φ. المكثّف الموصول على التوازي يزوّد القدرة غير الفعّالة محليًا، فينخفض تيار الخط للقدرة الفعلية نفسها.

القدرة غير الفعّالة للحِمل الموجود

Q1 = 101·tan(arccos 0,85) = 62,59 kvar

أكبر قدرة فعلية كلية

عند القدرة الاسمية الكاملة S = Smax، و Q لا يتغيّر بالحِمل المقاومي.

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 62,59²) = 136,3 kW

القدرة الفعلية الإضافية

ΔP = 136,3 − 101 = 35,32 kW

الإجابة

ΔP = 35,32 kW
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: IL = 16,58 A

النظم ثلاثية الطور المتوازنة: في توصيل Y (النجمة) يكون جهد الخط √3 ضعف جهد الطور، VL = √3·Vph، ويساوي تيار الخط تيار الطور. وفي توصيل Δ (الدلتا) يساوي جهد الخط جهد الطور، ويكون تيار الخط √3 ضعف تيار الطور، IL = √3·Iph. القدرة الكلية ثلاثة أضعاف قدرة الطور الواحد: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

القدرة الكهربائية الداخلة

Pin = Pout/η = 15/0,88 = 17,05 kW

تيار الخط

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 17045/(√3·690·0,86) = 16,58 A

الإجابة

IL = 16,58 A
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: QC = 43,03 kvar

النظم ثلاثية الطور المتوازنة: في توصيل Y (النجمة) يكون جهد الخط √3 ضعف جهد الطور، VL = √3·Vph، ويساوي تيار الخط تيار الطور. وفي توصيل Δ (الدلتا) يساوي جهد الخط جهد الطور، ويكون تيار الخط √3 ضعف تيار الطور، IL = √3·Iph. القدرة الكلية ثلاثة أضعاف قدرة الطور الواحد: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. تحسين معامل القدرة: تقدّم المكثّفات القدرة غير الفعّالة محليًا، QC = P·(tan φ1 − tan φ2). يقدّم كل مكثّف من المكثّفات الثلاثة QC/3 = V²·ω·C، حيث V الجهد على ذلك المكثّف: VL في مجموعة Δ، و VL/√3 في مجموعة Y.

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

القدرة الفعّالة لا تتغيّر، لذا يحدّد كل معامل قدرة القدرة غير الفعّالة: Q = P·tan φ.

Q1 = 80·tan(acos 0,72) = 80·0,9639 = 77,11 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,92) = 80·0,426 = 34,08 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 43,03 kvar

الإجابة

QC = 43,03 kvar
19.المحوّلات

الإجابة: R1′ = 1250 Ω

المحوّل المثالي: نسبة الجهود تساوي نسبة اللفّات، ونسبة التيارات عكسها: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a و I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a، لذا القدرة الداخلة تساوي القدرة الخارجة، V₁·I₁ = V₂·I₂. ممانعة الحمل Z على الملف الثانوي تبدو a²·Z من جهة الملف الابتدائي.

المقاومة المحوَّلة

يرتفع الجهد بـ a وينخفض التيار بـ a، لذا ترتفع النسبة V/I بـ a².

R1′ = a²·RL = 5²·50 = 1250 Ω

الإجابة

R1′ = 1250 Ω
20.المحوّلات

الإجابة: Ploss = 820,3 W

مفقودات المحوّل: مفقودات القلب (التخلّف المغناطيسي والتيارات الدوّامية) تعتمد على الجهد وهي نفسها عند أي حمل. مفقودات النحاس في الملفات تتناسب مع مربع التيار، لذا عند جزء x من الحمل المقنَّن تكون x²·Pcu,fl. الكفاءة η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu)، حيث Pout = x·S·pf. تكون الكفاءة في أعلاها عند الحمل الذي تتساوى فيه مفقودات النحاس مع مفقودات القلب.

مفقودات النحاس عند هذا الحمل

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,0625·1125 = 70,31 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

Ploss = 750 + 70,31 = 820,3 W

الإجابة

Ploss = 820,3 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 97,63%.

21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 3,35 V

قواعد مكبّر العمليات المثالي: مع التغذية الراجعة السالبة، يضبط المكبّر خرجه بحيث يكون دخلاه على الجهد نفسه (V₋ = V₊)، ولا يدخل أي تيار إلى أي من الدخلين. كتابة قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس مع هاتين الحقيقتين تعطي الخرج.

الجهد عند الدخل +

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 2·4,7/(4,7 + 4,7) = 1 V

الكسب غير العاكس

V₋ = V₊، والتيار المارّ في R₁ يمرّ أيضًا في Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 1·(1 + 4,7/2) = 3,35 V

الإجابة

Vout = 3,35 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −4,245 V

قواعد مكبّر العمليات المثالي: مع التغذية الراجعة السالبة، يضبط المكبّر خرجه بحيث يكون دخلاه على الجهد نفسه (V₋ = V₊)، ولا يدخل أي تيار إلى أي من الدخلين. كتابة قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس مع هاتين الحقيقتين تعطي الخرج.

كسب كل مرحلة

A1 = −Rf1/R1 = −100/47 = −2,128
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 47/10 = 5,7

مرحلةً مرحلة

V1 = −2,128·0,35 = −0,7447 V
Vout = 5,7·(−0,7447) = −4,245 V

الإجابة

Vout = −4,245 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: VCE = 1,83 V

نقطة انحياز BJT: في المنطقة الفعّالة VBE = 0,7 V، و IC = β·IB، و IE = (β + 1)·IB. أوجد IB من حلقة القاعدة بقانون كيرشوف للجهد، ثم IC، ثم VCE من حلقة المجمِّع–الباعث. يُستبدل مقسّم الجهد عند القاعدة بمكافئ ثيفنن VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂)، RTH = R₁∥R₂؛ وتظهر مقاومة الباعث أكبر بـ (β + 1) مرة في حلقة القاعدة.

تيار القاعدة

IB = (VCC − VBE)/RB = (12 − 0,7)/100 kΩ = 113 µA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 75·113 µA = 8,475 mA

جهد المجمِّع–الباعث

VCE = 12 − 8,475 mA·1,2 kΩ = 1,83 V

الإجابة

VCE = 1,83 V
24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: RB = 5,909 kΩ

BJT كمفتاح: لتشغيل الحمل تشغيلًا كاملًا يُدفع الترانزستور إلى التشبّع، حيث VCE = VCE(sat) ويحدّد الحمل تيار المجمِّع: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. يتطلّب التشبّع IB = IC(sat)/β على الأقل. إذا كان تيار القاعدة أصغر، يبقى الترانزستور في المنطقة الفعّالة و IC = β·IB.

تيار المجمِّع في التشبّع

IC(sat) = (9 − 0,2)/100 = 88 mA

أدنى تيار قاعدة

IB(min) = IC(sat)/β = 88/200 = 440 µA

مقاومة القاعدة

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/0,44 mA = 5,909 kΩ

الإجابة

RB = 5,909 kΩ

أي مقاومة قاعدة أصغر تُشبِع الترانزستور أيضًا؛ وعمليًا تختار مقاومة أصغر ببضع مرات.

25.أنظمة العد

الإجابة: U = 206

أنظمة العد الموضعية: قيمة كل رقم هي قيمته مضروبة في قوة من قوى الأساس. في النظام الثنائي تساوي المواضع 1، 2، 4، 8، 16، …؛ وفي السداسي عشري 1، 16، 256، …، حيث تمثل A–F القيم 10–15. في المتمم الثنائي ذي 8 بتات تساوي البتة اليسرى −128 بدلًا من +128، وهكذا تُخزَّن الأعداد السالبة.

اقلب وأضف واحدًا

50 = 0011 0010
مقلوب: 1100 1101
+1 → 1100 1110

اقرأه بلا إشارة

1100 1110₂ = 256 − 50 = 206

الإجابة

U = 206
26.أنظمة العد

الإجابة: b = 13 bit

أنظمة العد الموضعية: قيمة كل رقم هي قيمته مضروبة في قوة من قوى الأساس. في النظام الثنائي تساوي المواضع 1، 2، 4، 8، 16، …؛ وفي السداسي عشري 1، 16، 256، …، حيث تمثل A–F القيم 10–15. في المتمم الثنائي ذي 8 بتات تساوي البتة اليسرى −128 بدلًا من +128، وهكذا تُخزَّن الأعداد السالبة.

قوى العدد 2

212 = 4096 < 4229
213 = 8192 ≥ 4229

الإجابة

b = 13
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: AB = 00, CD = 11

خرائط كارنو: ترتَّب الخلايا بشيفرة غراي (00, 01, 11, 10)، فتختلف الخلايا المتجاورة، بما فيها تلك التي عبر الحواف، في متغير واحد بالضبط. جمّع الآحاد في مستطيلات من 1 أو 2 أو 4 أو 8 أو 16 خلية، بأكبر حجم وأقل عدد ممكنين، حتى يُغطى كل 1. كل مجموعة حد جداء واحد: المتغيرات التي تبقى ثابتة داخلها. المجموعة من 2ᵏ خلية تفقد k متغيرًا. يجوز استخدام حالات عدم الاكتراث (X) لتكبير المجموعات لكن لا يجب تغطيتها أبدًا. أما تجميع الأصفار فيعطي الصيغة الدنيا POS.

جيران كل 1

يمكن لـ 1 له جار 1 أن ينضم إلى مجموعة من اثنين أو أكثر.

m3: m2, m1, m7, m11 → 0
ABCD00011110000111101111111

الـ 1 المعزول

m3 = A′B′CD → AB = 00, CD = 11

الإجابة

AB = 00, CD = 11
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 2

خرائط كارنو: ترتَّب الخلايا بشيفرة غراي (00, 01, 11, 10)، فتختلف الخلايا المتجاورة، بما فيها تلك التي عبر الحواف، في متغير واحد بالضبط. جمّع الآحاد في مستطيلات من 1 أو 2 أو 4 أو 8 أو 16 خلية، بأكبر حجم وأقل عدد ممكنين، حتى يُغطى كل 1. كل مجموعة حد جداء واحد: المتغيرات التي تبقى ثابتة داخلها. المجموعة من 2ᵏ خلية تفقد k متغيرًا. يجوز استخدام حالات عدم الاكتراث (X) لتكبير المجموعات لكن لا يجب تغطيتها أبدًا. أما تجميع الأصفار فيعطي الصيغة الدنيا POS.

المضمّنات الأولية

أكبر المجموعات التي يمكن تكوينها من الآحاد و X.

D′, B′C′, AC′
ABCD000111100001111010X1031214050716112113015X14X819011X10

التغطية الدنيا

F = D′ + AC′
N = 2

الإجابة

N = 2
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.2) = 5,114

تحويل لابلاس: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt يحوّل المشتقات إلى ضرب في s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0)، ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). الأزواج القياسية: 1 ↔ 1/s، e−at ↔ 1/(s + a)، t·e−at ↔ 1/(s + a)²، sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)، cos ωt ↔ s/(s² + ω²)، والإزاحة s → s + σ تضرب دالة الزمن في e−σt. لعكس F(s) كسرية، جزّئها إلى كسور جزئية: باقي القطب البسيط p هو A = [(s − p)·F(s)] عند s = p. نظرية القيمة النهائية: f(∞) = lims→0 s·F(s)، وتصحّ فقط عندما تقع كل أقطاب s·F(s) في نصف المستوى الأيسر. نظرية القيمة الابتدائية: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

أكمل المربّع

s² + 4s + 20 = (s + 2)² + 16 = (s + 2)² + 4²

طابق البسط

F(s) = 4·(s + 2)/((s + 2)² + 4²) + (27/4)·4/((s + 2)² + 4²)

التحويل العكسي

f(t) = e−2t·(4·cos 4t + 6,75·sin 4t)
f(0,2) = e−2·0,2·(4·cos(4·0,2) + 6,75·sin(4·0,2)) = 5,114

الإجابة

f(0,2) = 5,114
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.3) = 3,798

تحويل لابلاس: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt يحوّل المشتقات إلى ضرب في s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0)، ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). الأزواج القياسية: 1 ↔ 1/s، e−at ↔ 1/(s + a)، t·e−at ↔ 1/(s + a)²، sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)، cos ωt ↔ s/(s² + ω²)، والإزاحة s → s + σ تضرب دالة الزمن في e−σt. لعكس F(s) كسرية، جزّئها إلى كسور جزئية: باقي القطب البسيط p هو A = [(s − p)·F(s)] عند s = p. نظرية القيمة النهائية: f(∞) = lims→0 s·F(s)، وتصحّ فقط عندما تقع كل أقطاب s·F(s) في نصف المستوى الأيسر. نظرية القيمة الابتدائية: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

حوّل المعادلة

s²Y − 6s − (−11) + 6(sY − 6) + 5Y = 0
Y(s) = (6s + 25)/((s + 1)(s + 5))

الكسور الجزئية

A = 19/4 = 4,75
B = −5/(−4) = 1,25

النتيجة

y(t) = 4,75·e−t + 1,25·e−5t
y(0,3) = 3,798

الإجابة

y(0,3) = 3,798

تحقّق: y(0) = A + B = 6.

31.المخططات الصندوقية

الإجابة: τ = 0,07407 s

جبر المخططات الصندوقية: الصناديق على التوالي تُضرب (G₁·G₂)، والصناديق على التوازي تُجمع (G₁ + G₂)، والحلقة ذات المسار الأمامي G ومسار التغذية الراجعة H تُختزل إلى T = G/(1 + G·H) للتغذية الراجعة السالبة و G/(1 − G·H) للتغذية الراجعة الموجبة. اختزل الحلقات الداخلية أولًا، ثم اتجه إلى الخارج. أقطاب الحلقة المغلقة هي جذور المعادلة المميّزة 1 + G(s)H(s) = 0. لحلقة مستقرة، دخل خطوة مقداره A يعطي خرج الحالة المستقرة A·T(0)؛ ومع التغذية الراجعة الأحادية يكون خطأ الحالة المستقرة لخطوة A/(1 + Kp) مع Kp = G(0).

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = G/(1 + G·H) = 25/(s + 1 + 12,5) = 25/(s + 13,5)

النتيجة

τ = 1/13,5 = 0,07407 s

الإجابة

τ = 0,07407 s
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: css = 1

جبر المخططات الصندوقية: الصناديق على التوالي تُضرب (G₁·G₂)، والصناديق على التوازي تُجمع (G₁ + G₂)، والحلقة ذات المسار الأمامي G ومسار التغذية الراجعة H تُختزل إلى T = G/(1 + G·H) للتغذية الراجعة السالبة و G/(1 − G·H) للتغذية الراجعة الموجبة. اختزل الحلقات الداخلية أولًا، ثم اتجه إلى الخارج. أقطاب الحلقة المغلقة هي جذور المعادلة المميّزة 1 + G(s)H(s) = 0. لحلقة مستقرة، دخل خطوة مقداره A يعطي خرج الحالة المستقرة A·T(0)؛ ومع التغذية الراجعة الأحادية يكون خطأ الحالة المستقرة لخطوة A/(1 + Kp) مع Kp = G(0).

دوال التحويل

C/D = G/(1 + K·G) = 6/(s + 3 + 12)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 12/(s + 3 + 12)

الحالة المستقرة

css = 1·12/15 + 0,5·6/15 = 1

الإجابة

css = 1

K الأكبر يقلّل أثر الاضطراب، لكن لا يجعله صفرًا أبدًا مع متحكّم تناسبي.

33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: tp = 0,3728 s

الاستجابة للدخل الخطوي: النظام من الرتبة الأولى G(s) = K/(τs + 1) يستجيب لخطوة مقدارها U بالعلاقة y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): يبلغ 63,2 % من القيمة النهائية K·U بعد ثابت زمني واحد τ و98 % بعد 4τ. والنظام من الرتبة الثانية G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) له القطبان s = −ζωₙ ± jωd مع ωd = ωₙ√(1 − ζ²). وعندما 0 < ζ < 1 تتجاوز الاستجابة الخطوية القيمة النهائية: النسبة المئوية للتجاوز %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وزمن الذروة tp = π/ωd، وزمن الاستقرار عند 2 % هو ts ≈ 4/(ζωₙ). قارن المقام مع s² + 2ζωₙs + ωₙ² لقراءة ωₙ وζ. وفي نظام كتلة–نابض–مخمّد ωₙ = √(k/m) وζ = c/(2√(km))؛ وفي دائرة RLC على التسلسل ωₙ = 1/√(LC) وζ = (R/2)·√(C/L).

قارن مع الصيغة القياسية

يجب أن يطابق المقام s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 80 → ωₙ = 8,944 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·8,944) = 0,3354

النتيجة

ωd = 8,944·√(1 − 0,3354²) = 8,426 rad/s → tp = π/ωd = 0,3728 s

الإجابة

tp = 0,3728 s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ωn = 4,412 rad/s

الاستجابة للدخل الخطوي: النظام من الرتبة الأولى G(s) = K/(τs + 1) يستجيب لخطوة مقدارها U بالعلاقة y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): يبلغ 63,2 % من القيمة النهائية K·U بعد ثابت زمني واحد τ و98 % بعد 4τ. والنظام من الرتبة الثانية G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) له القطبان s = −ζωₙ ± jωd مع ωd = ωₙ√(1 − ζ²). وعندما 0 < ζ < 1 تتجاوز الاستجابة الخطوية القيمة النهائية: النسبة المئوية للتجاوز %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وزمن الذروة tp = π/ωd، وزمن الاستقرار عند 2 % هو ts ≈ 4/(ζωₙ). قارن المقام مع s² + 2ζωₙs + ωₙ² لقراءة ωₙ وζ. وفي نظام كتلة–نابض–مخمّد ωₙ = √(k/m) وζ = c/(2√(km))؛ وفي دائرة RLC على التسلسل ωₙ = 1/√(LC) وζ = (R/2)·√(C/L).

نسبة التخميد

ζ = −ln(0,2)/√(π² + ln²(0,2)) = 1,609/√(9,87 + 2,59) = 0,4559

التردد الطبيعي

ωd = π/tp = π/0,8 = 3,927 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3,927/0,89 = 4,412 rad/s

الإجابة

ωn = 4,412 rad/s
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: φ = 11,27 °

الاستجابة الترددية: عوّض s = jω في دالة النقل. المقدار بالديسيبل هو 20·log₁₀|H(jω)| والطور هو مجموع زوايا عوامل البسط ناقص زوايا عوامل المقام. مرشح RC أو RL من الرتبة الأولى له تردد الركن (−3 dB) عند ωc = 1/(RC) أو R/L، وfc = ωc/(2π)؛ ومرشح تمرير الترددات المنخفضة يعطي |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) وφ = −atan(ω/ωc). وفي مخطط بودي التقريبي (الخطوط المستقيمة) ينحني كل قطب بالمقدار إلى الأسفل بـ 20 dB/decade عند تردد ركنه، وينحني كل صفر إلى الأعلى بـ 20 dB/decade، ويعطي المكامل 1/s ميلًا قدره −20 dB/decade عند كل الترددات. تردد تقاطع الكسب ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB)؛ وهامش الطور PM = 180° + ∠L(jωc). تردد تقاطع الطور ω180: ∠L(jω) = −180°؛ وهامش الكسب GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. تكون الحلقة المغلقة مستقرة حين يكون الهامشان موجبين.

تردد الركن

ωc = 1/(RC) = 1/(4700·1 × 10⁻⁹) = 212766 rad/s
fc = 33863 Hz → f/fc = 170000/33863 = 5,02

الطور

φ = 90° − atan(5,02) = 11,27°

الإجابة

φ = 11,27°
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: ωc = 3,925 rad/s

الاستجابة الترددية: عوّض s = jω في دالة النقل. المقدار بالديسيبل هو 20·log₁₀|H(jω)| والطور هو مجموع زوايا عوامل البسط ناقص زوايا عوامل المقام. مرشح RC أو RL من الرتبة الأولى له تردد الركن (−3 dB) عند ωc = 1/(RC) أو R/L، وfc = ωc/(2π)؛ ومرشح تمرير الترددات المنخفضة يعطي |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) وφ = −atan(ω/ωc). وفي مخطط بودي التقريبي (الخطوط المستقيمة) ينحني كل قطب بالمقدار إلى الأسفل بـ 20 dB/decade عند تردد ركنه، وينحني كل صفر إلى الأعلى بـ 20 dB/decade، ويعطي المكامل 1/s ميلًا قدره −20 dB/decade عند كل الترددات. تردد تقاطع الكسب ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB)؛ وهامش الطور PM = 180° + ∠L(jωc). تردد تقاطع الطور ω180: ∠L(jω) = −180°؛ وهامش الكسب GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. تكون الحلقة المغلقة مستقرة حين يكون الهامشان موجبين.

تقاطع الكسب

ω⁴ + 400ω² − 6400 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·6400))/2 = 15,41
ωc = 3,925 rad/s

الإجابة

ωc = 3,925 rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: ω = 3,162 rad/s

معيار راوث–هرفيتز: يكون النظام الخطي مستقرًا حين يقع كل جذر من جذور كثير حدوده المميِّز في النصف الأيسر من المستوى s. اكتب المعاملات بالتناوب في الصفين الأولين من جدول راوث. يأتي كل عنصر في صف جديد من الصفين اللذين فوقه؛ وبالنسبة إلى كثير حدود تكعيبي a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ يكون عنصر الصف s¹ هو b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. عدد تغيّرات الإشارة في العمود الأول يساوي عدد الجذور في النصف الأيمن من المستوى. وحين يدخل الكسب K في المعاملات يجب أن يبقى كل عنصر في العمود الأول موجبًا: الكسب الذي يجعل عنصر الصف s¹ صفرًا هو حدّ الاستقرار، ثم يعطي الصف s² تردد التذبذب المستمر.

جدول روث

s³ + 7s² + 10s + K = 0
s³: 1, 10
s²: 7, K
s¹: (7·10 − K)/7
s⁰: K

الكسب الحرج

K = 7·10 = 70

المعادلة المساعدة

عند الكسب الحرج يكون الصف s¹ صفرًا؛ ويعطي الصف s² الأقطاب الواقعة على المحور التخيلي.

7s² + 70 = 0 → s = ±j√10
ω = 3,162 rad/s

الإجابة

ω = 3,162 rad/s
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: sb = −0,7847

المحل الهندسي للجذور: حين يتغير الكسب K من 0 إلى ∞ تتحرك أقطاب الحلقة المغلقة، وهي جذور 1 + K·G(s) = 0، من أقطاب الحلقة المفتوحة إلى أصفار الحلقة المفتوحة أو إلى ما لا نهاية. تنتمي نقطة على المحور الحقيقي إلى المحل الهندسي حين يكون عدد الأقطاب والأصفار الحقيقية على يمينها فرديًا. تتبع الفروع n − m المتجهة إلى ما لا نهاية خطوطًا مقاربة بالزوايا (2q + 1)·180°/(n − m)، وتنطلق من المركز σₐ = (Σ الأقطاب − Σ الأصفار)/(n − m). تغادر الفروع المحور الحقيقي أو تنضم إليه حيث dK/ds = 0. يحدد شرط الزاوية ∠G(s) = 180° الشكل، ويعطي شرط المقدار K = 1/|G(s)| الكسب عند أي نقطة من المحل الهندسي.

الكسب على طول المحور الحقيقي

K(s) = −s(s + 2)(s + 3) = −(s³ + 5s² + 6s)

النقاط الحرجة

dK/ds = −(3s² + 10s + 6) = 0
s = (−10 ± √(100 − 72))/6 = −0,7847, −2,549

اختر النقطة الواقعة على المحل الهندسي

يقع المحل الهندسي على المحور الحقيقي بين 0 و−2؛ أما الجذر الآخر فليس على المحل الهندسي.

sb = −0,7847

الإجابة

sb = −0,7847
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 9,091 %

خطأ الحالة المستقرة: في حلقة تغذية عكسية وحدوية بدالة نقل الحلقة المفتوحة G(s) يكون الخطأ E(s) = R(s)/(1 + G(s))، وبنظرية القيمة النهائية ess = lims→0 s·E(s). نوع النظام هو عدد أقطاب G(s) عند s = 0. ثوابت الخطأ هي Kp = lim G(s) وKv = lim s·G(s) وKa = lim s²·G(s)، كلها عندما s → 0. تعطي دالة خطوة بحجم A الخطأ ess = A/(1 + Kp)، وتعطي دالة منحدرة A·t الخطأ A/Kv، وتعطي دالة قطع مكافئ A·t²/2 الخطأ A/Ka. تتبع حلقة من النوع 0 دالة الخطوة بخطأ منتهٍ، أما حلقة من النوع 1 فتتبعها تمامًا وتتبع دالة المنحدر بخطأ منتهٍ.

ثابت الموضع

Kp = 5·2 = 10

خطأ الخطوة

ess = 100/(1 + 10) = 9,091 %

الإجابة

ess = 9,091 %
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: tp = 0,5236 s

التحكم P وPI وPID: يعمل المتحكم C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s على الخطأ. الكسب التناسبي يجعل الحلقة أسرع ويقلل خطأ محطة من النوع 0، لكنه لا يزيله أبدًا. يضيف الحد التكاملي قطبًا عند s = 0: فيرتفع نوع النظام بواحد، وتُتبع الخطوة دون خطأ. ويضيف الحد التفاضلي تخميدًا. لاختيار الكسوب اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة وقارنه بـ s² + 2ζωns + ωn². عندئذٍ %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وtp = π/ωd مع ωd = ωn√(1 − ζ²)، وts ≈ 4/(ζωn).

كثير الحدود المميِّز

s(s + 4) + 8·5 = s² + 4s + 40

ωₙ وζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 4/(2·6,325) = 0,3162

زمن الذروة

ωd = 6,325·√(1 − 0,3162²) = 6 rad/s
tp = π/6 = 0,5236 s

الإجابة

tp = 0,5236 s

هذه مادة تدريب مستقلة. ExamProblems غير تابع للجهة التي تنظّم هذا الامتحان ولا معتمد منها، ويُستخدم اسم الامتحان لوصف المحتوى فقط. يُجري اختبار FE exam جهةُ NCEES، وهي غير تابعة لـ ExamProblems ولا تؤيده.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-electrical